Přesné magnetické snímače a jejich aplikace Aplikace v lékařské technice A. Platil (ČVUT v Praze) Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 1
Osnova Dva konkrétní příklady výzkumu Magnetopneumografie Cíle Použití gradiometrů Použité senzory Interpretace dat Další směry výzkumu Měření objemu žaludku Metoda měření a výsledky 2
Magnetopneumografie Vyšetření zaprášení plic mag. prachem 1970s D. Cohen (stínění + SQUID) Kovoprůmysl - brusiči, svářeči Postup: Magnetizace v DC poli Změření remanentního pole plic Určení množství a rozmístění prachu v plicích D. Cohen, Measurements of the magnetic fields produced by the human heart, brain and lungs, IEEE Trans. Mag., Vol. MAG-11, No. 2 (Mar. 1975), 694-700 3
Biomagnetická pole Obr.: A.I. Braginski, prezentace na CNRS autumn school 2007 4
Magnetické pole Země Globálně: přibližně dipólový charakter Lokálně: převážně homogenní Gradient < 25pT/m Dlouhodobé variace < 25nT/rok Variace převážně homogenní (bez gradientu) 5
Gradient potlačení h. rušení Definice x zjednodušení (pouze vertikální složka): gradb B z (z2) z 2 B z 1 z (z 1 ) V našem případě: dvě hodnoty pole změřeny nezávisle, odečteny v SW 6
Gradiometrická základna Ideálně: d > 0 (gradient v bodě) x Ale: konečně malá úroveň šumu + Vzájemné ovlivnění FG sond => d min 10 cm (FG se zpětnovazební kompenzací pole) x single-core FG gradiometer 7
Jen pro ilustraci: Hallovy sondy + miniaturní rozměry - nízká citlivost (rozsah +/- 500mT, diff. 6mT) Obr.: Melexis Podobně: diferenční GMR sondy NVE (AA00x-02) 8
Proton/Overhauser mag. Skalární měření šum 0.01nT/sqrtHz @ 1Hz Nelze v silném gradientu Použití: archeologie, prospekce, geologie Obr.: GEM Systems 9
SQUID + Nejcitlivější používaný senzor pole šum 1fT/sqrtHz @ 1Hz Nutnost kryotechniky (4.2K nebo H-Tc 77K) - Stíněná místnost, nebo gradiometr 10
Mag. stíněná místnost DC: několik vrstev materiálu s vysokým mu (permalloy) AC: 1-2 vrstvy s vysokou vodivostí (Al) + potlačení vnějšího pole 1000x i více - nákladné Obr.: Ohtama Co., Ltd. 11
Fluxgate sondy pick-up excitation pick-up (differential) excitation pick-up (differential) excitation pick-up (homogenous) 12
Porovnání FG konstrukcí Ringcore (prstencová) + Šum + Stabilní offset + Vyvážení - Demagnetizace - Citlivost - Kolmé pole Rod-core (tyčová) - Šum + Demagnetizace + Citlivost + Kolmé pole 13
Magnetometr fluxgate 14
Šum fluxgate magnetometru Spektrum šumu (PSD) prstencové fluxgate sondy v oblasti nízkých frekvencí. Šum je typu 1/f, asi 15pT/sqrtHz @ 1Hz 15
Šum fluxgate gradiometru Spektrum šumu (PSD) gradientního signálu ze dvou prstencových sond, základna je 10cm, šum je 350 pt/m/sqrthz at 1Hz. 16
Analog vs. digital Dosavadní výsledky výrazně lepší u analog. Šum analog. 15pT/sqrtHz @ 1Hz Šum digitální 1nT/sqrtHz @ 1Hz Obr.: Cerman et al.: Sensors and Actuators A 121 (2005), 421 429 17
Fluxgate vs. AMR + AMR miniaturní (mm AMR x cm Fluxgate) - ALE: Fluxgate stále výrazně lepší než AMR Obr.: Vopálenský et al.: Sensors and Actuators A 106 (2003) 38 42 18
Citlivost a potlačení hom. pole Kalibrace v gradientním poli H. cívek K G = 17mV/(uT/m) Potlačení homogenní odpovědi (falešný gradient způsobený hom. polem) K H = 0,035 (T/m)/T 19
Magnetování subjektu Magnetování subjektu (dobrovolníka) v DC poli Intenzita pole asi 0.2 T (MRI 1.5T - 3T) 20
Magnetování subjektu Obr.: Tomek et al.: Sensors and Actuators A 132 (2006) 214 217 Hlaváček: Bakalářská práce, ČVUT 2007 21
Nemagnetické lůžko Gradient [T/m] x 10-8 4 2 0 Polohovací lůžko: pohyb v X-Y rovině, magnetometr vertikálně na portálu -2 Grad 1 Grad 2 19:00 0:00 5:00 10:00 15:00 Time [hr:min] Obr: Tomek, Disertační práce, ČVUT v Praze 2009 22
6-kanálový magnetometr 6-kanálový magnetometr a závěs nad lůžkem Obr.: Tomek et al.: IEEE Sensor J. 2009, vol. 9, no. 4, p. 377-383. 23
Měření vs. model Gradient [T/m] Gradient [T/m] Gradient [T/m] x 10-7 15 10 5 0 x 10-7 15 10 5 0 60-5 40 20 0 0 20 40 60 60-5 40 Y [cm] 20 0 0 20 X [cm] 40 60 Figure 1. Modeled gradient 1, 1 st -2 nd sensor Figure 2. Measured gradient 1, closer sensor is18 cm from the bed x 10-8 x 10-8 3 3 2 2 1 1 0 60-1 40 Y [cm] 20 0 0 20 X [cm] 40 60 0 60-1 40 Y [cm] 20 0 0 20 X [cm] 40 60 Figure 3. Modeled gradient 4, 4 th - 5 th sensor Figure 4. Measured gradient 4, closer sensor is 48 cm from the bed Obr.: Tomek et al.: IEEE Sensor J. 2009, vol. 9, no. 4, p. 377-383. 24
Mapa gradientního pole Obr.: Tomek, Platil: Sensor Letters 2009, vol. 7, no. 3, p. 423-428. 25
Interpretace dat Integrated gradient (T/m) 2.0E-04 distance 20 cm 1.5E-04 1.0E-04 5.0E-05 distance 28 cm 0.0E+00 0 100 200 300 400 500 number of magnetized cubes Obr.: Tomek, Platil: Sensor Letters 2009, vol. 7, no. 3, p. 423-428. 26
Diskrétní model plic Obr.: Z. Jedlička: Diplomová práce, ČVUT v Praze 2010 27
Další směry výzkumu Mikročástice klasická (DC) MPG x Detekce (superparamagnetických) nanočástic AC / pulsní metody F.Ludwig et al., IEEE TRANS. MAG., VOL. 45, NO. 10, OCTOBER 2009, 4857 28
Detekce nanočástic 0,6ml = 10mg Endorem Obr.: Janošek et al.: Journal of Applied Physics 2009, vol. 105, no. 7, p. 7E717 29
Měření objemu žaludku (Indukční měření vzdálenosti in vivo) 30
Měření objemu žaludku Účel: řízení stimulace žaludku pacerem u morbidně obézních pacientů (USA) Lepší výsledky při stimulaci podle situace (namísto trvalé stimulace) Problém: měření objemu (vzdálenosti) in vivo Nelze kontaktními senzory -> indukční princip 31
Bezkontaktní měření Externí elektronika + indukční senzory vzdálenosti na stěně žaludku Vysílač-přijímač: indukované napětí ~ vzdálenost Vzdálenost -> objem žaludku 32
Elektronika Obr: J.Tomek, Disertační práce, ČVUT v Praze 2009 33
Uind [microv] Vysílač a přijímač Distance - Induced Voltage 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Distance [cm] 34
Poloha mag. dipólu 35
Nepříznivý vliv polohy Vliv úhlové odchylky (ne-koaxiální cívky) Vliv příčné odchylky (ne-koaxiální cívky) Obr.: Tomek et al.: Sensors and Actuators A 142 (2008) 34 39. 36
Tříosý přijímač Obr.: Tomek et al.: Sensors and Actuators A 142 (2008) 34 39. 37
Potlačení chyby (3 osy) Tříosým měřením lze docílit snížení chyby vzdálenosti (menší závislost na koaxialitě) Obr.: Tomek et al.: Sensors and Actuators A 142 (2008) 34 39. 38
Testy in vivo Distance [mm] Testy in vivo na psech (Veterans Administration Hospital in Oklahoma City ) Signál o poloze po konzumaci potravy 26 24 22 20 18 LP filtered Raw data 16 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Time [minutes] Obr: J.Tomek, Disertační práce, ČVUT v Praze 2009 39
Literatura Andra, Nowak (eds.) ISBN 978-3-527-40558-9 Clarke, Braginski (eds.) ISBN 978-3-527-40408-7 Ripka (ed.) ISBN 978-1-58053-057-6 40